模糊控制理論在風(fēng)機(jī)泵類軟起動(dòng)器中的應(yīng)用研究

1、模糊自整定PID控制策略在異步電機(jī)軟啟動(dòng)中的應(yīng)用趙啟迪(沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159 )摘要：針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器由于 PID初始參數(shù)選取不當(dāng)或工作工程中受外界環(huán)境影響而發(fā)生漂移從而影響控制精度的問題，本文提岀將模糊自整定PID代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)中。 介紹了模糊自整定 PID的原理，軟啟動(dòng)器原理和系統(tǒng)軟、 硬件設(shè)計(jì)過程。 最后通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和平穩(wěn)運(yùn)行兩個(gè)過程，結(jié)果證明了所提岀的策略的正確性和有效性。關(guān)鍵詞：模糊自整定PID ;軟啟動(dòng)器；計(jì)算機(jī)仿真Fuzzy Self-adjust PID Based Asynchronism

2、Electriomotor Soft-starterXXX, XXX, XXXSchool of In formatio n Scie nee & Engin eeri ng, Shenyang Ligo ng Uni versity, Shenyang, 110159Abstract: According to the deficiency of traditional soft-starter control accuracy caused by unsuitable initial value of PID or value shifting for disturbance of env

3、ironment, a strategy of applying fuzzy self adjust PID instead of traditional PID into the design of the soft-starter is put forward in this paper. The fuzzy self adjust PID theory, soft-start theory and design of hardware and software are introduced. At last, electric motors soft-start and smooth r

4、unning are realized by computer simulation, and the result shows the truth and validity of this strategy.Key words: Fuzzy Self adjust PID; Soft-starter; Computer Simulation1引言電動(dòng)機(jī)作為拖動(dòng)機(jī)械廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運(yùn) 輸，國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域中。電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)瞬時(shí)沖擊電流很大，在電動(dòng)機(jī)經(jīng)常起動(dòng)的情況下過大的電流會(huì)造成電 動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命，另外還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不良影響，影響電網(wǎng)供電和同一電網(wǎng)上的其它負(fù)載 1

5、,2。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用晶閘管為主電 路元件，單片機(jī)為控制核心的智能型起動(dòng)設(shè)備完成電動(dòng)機(jī) 的起動(dòng)過程已成為現(xiàn)實(shí)。針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器由于 PID初始參數(shù)選取不當(dāng)或工作工程中受外界環(huán)境影響而 發(fā)生漂移從而影響控制精度的問題，本文研究了一種將模糊自整定PID(FSA-PID)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)軟起 動(dòng)器設(shè)計(jì)中的策略。將模糊控制思想與常規(guī) PID控制器相 結(jié)合，吸收了模糊控制與常規(guī)PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)。主要用于解決傳統(tǒng)方法難以解決的控制對(duì)象參數(shù)在大范圍變 化的問題，比常規(guī) PID控制器控制性能好，可靠性更高。 介紹了模糊自整定 PID原理、軟啟動(dòng)器原理和系統(tǒng)的軟、 硬件設(shè)計(jì)過

6、程。最后通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng) 器的工作過程，結(jié)果證明了所提出的策略的正確性和有效 性。2軟啟動(dòng)器模糊自整定PID控制原理2.1 FSA-PID控制策略以常規(guī)PID控制為基礎(chǔ)，采用模糊推理思想根據(jù)不 同的E和EC對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線自整定 。按這種思想 構(gòu)成的控制系統(tǒng)由兩部分組成。即常規(guī)PID控制部分與模糊推理的參數(shù)校正部分。如圖1所示。圖1 FSA-PID控制系統(tǒng)框圖PID控制作用可用以下位置式算式來描述：ku(k)二 kp * E(k) ki * E(k) kd * EC(k) (1)i=0其中E(k),v E(j),EC(k)分別為系統(tǒng)偏差，偏差和與i z0偏差變化率。kp,k

7、i,kd分別為比例系數(shù)，積分作用系數(shù)，微 分作用系數(shù)。且kp,ki,kd由以下各項(xiàng)決定：kp=kpEi,ECip(2)ki=ki+ Ei,ECii(3)kd=kd+E i,ECi d(4)其中Ei,ECi p,Ei,ECii,Ei,ECid為模糊推理的結(jié)果， 即參數(shù)的校正量。kp k kd為參數(shù)初值。根據(jù)參數(shù)kp,ki,kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，針對(duì)不同的E和EC，專家總結(jié)出了一套kp,ki,kd的整定原則:(1) 當(dāng)E|較大時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，應(yīng)取較大的kp與較小的kd，同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超 調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取ki=0；(2) 當(dāng)E和| EC中等大小時(shí)

8、，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，kp應(yīng)取得小些。在這種情況下，kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，應(yīng)取得小一些，ki的取值要適當(dāng)，以保證系統(tǒng)的響應(yīng) 速度。(3) 當(dāng)E較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能，kp,ki均應(yīng)取得大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x取kd。當(dāng)EC較大時(shí) kd可取得小些；EC較小時(shí)kd可取大一些。 量，經(jīng)過模糊控制器對(duì)輸入信息進(jìn)行模糊化、模糊推理、 模糊決策和清晰化，從而得到控制量，施加于被控電機(jī)實(shí) 現(xiàn)軟啟動(dòng)的全過程。2. 2模糊控制參數(shù)選擇2. 2. 1論域、隸屬函數(shù)、控制規(guī)則的確定根據(jù)三個(gè)參數(shù)的調(diào)整原則，可寫出kp,ki,kd的調(diào)節(jié)規(guī)則表。NB

9、NMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSZEZENMPBPBPMPSPSZENSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPBZEZENMNMNMNBNB表1 Kp調(diào)節(jié)規(guī)則表圖2輸入E與EC的隸屬度函數(shù)ec 沁NBNMNSZEPSPMPBNB:NBNBNMNMNS:ZEZENMNBNBNMNSNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPMPSNMNSZEPSPSPMPBPM:ZEZEPSPSPMP PBPBPBZEZEPSPMPMr PBPB表2 Ki調(diào)節(jié)規(guī)則表圖3 Kp

10、輸出曲面圖ecNBNMNSZEPSPMPBNB:ps :NSNBNBNBP NMPSNM1 PSNSNBNMNMNSZENSLzeNSNMNMNSInsZEZEZENSNSNSNSnsZEPSZEZEZEZEZEZEPMPBPSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSr psPB表3 Kd調(diào)節(jié)規(guī)則表圖4 Ki輸出曲面圖以電動(dòng)機(jī)輸出電流與期望電流值之差E及其變化率EC作為輸入變量，以晶閘管觸發(fā)角的變化 a作為輸出變模糊軟啟動(dòng)器的輸入 E、EC與輸出U可劃分為五個(gè) 模糊子集，即NB,NS,ZR,PS,PB。E、EC 的論域?yàn)?6,6,U 的論域?yàn)?3,3。除了 ZR的隸屬函數(shù)選三角形隸屬函數(shù)以

11、 外，其余均選梯形隸屬函數(shù)。模糊控制器輸出曲面圖如下 所示，從規(guī)則曲面圖可以看出曲面比較光滑且由高至低覆 蓋了論域所有范圍，規(guī)則設(shè)計(jì)的比較合理。圖5 Kd輸出曲面圖2. 2. 2輸入、輸出比例因子的確定假設(shè)某類型電動(dòng)機(jī)參數(shù)為Pe= 7.5kw , Ie= 15A , ne=3000r/min , f=50Hz，Y接。電流誤差的實(shí)際變化范圍 -10A,10A。若設(shè)定的起動(dòng)電流為額定電流2倍，即30A。則相對(duì)值論域?yàn)?卜1/3,1/3。為使其轉(zhuǎn)換至整數(shù)論域 -6,6, 需Ke= 6/(1/3)=18。同理，偏差變化率實(shí)際變化范圍-8A,8A時(shí)可確定Kec =22.6。觸發(fā)角a的實(shí)際變化范圍-20,

12、20, 為轉(zhuǎn)換至-3,3需Ku= 20/3 = 6.7。同理，還可以確定出被 控量為電壓時(shí)的 Ke Kec Ku的值。2. 3模糊決策從節(jié)約單片機(jī)內(nèi)存資源的角度出發(fā)，本文不采用存控 制表格的方式，而是采用在線計(jì)算控制量的解析法。選用 多修正因子法，如下式所示。其中a 0= 0.4, a 1 = 0.6, a 2=0.75。計(jì)算時(shí)NB,NS,ZR,PS,PB的取值分別對(duì)應(yīng)-2, -1 , 0, 1, 2。，當(dāng) E=0U= ，當(dāng) E=1, 1，當(dāng) E=2, 2(5)3軟啟動(dòng)器的軟、硬件實(shí)現(xiàn)如圖6所示，采用三相平衡調(diào)壓式主回路，它利用晶閘管的開關(guān)特性將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的 三相回路上，用

13、單片機(jī)控制其觸發(fā)角的大小，改變晶閘管 的開通程度，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓的大小，控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性。當(dāng)起動(dòng)完成后，程序控制將真空接觸器閉 合，短接所有晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行， 以避免在 元件上的持續(xù)損耗。Z1圖6軟啟動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)框圖控制系統(tǒng)的硬件由 AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)、電壓同步 信號(hào)采樣及處理電路、電流檢測(cè)電路、脈沖觸發(fā)電路等組成。由同步變壓器來的電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器、光電隔離及功率驅(qū)動(dòng)后送入 AT89C52外部中斷。電流檢測(cè)電路以 電流互感器測(cè)出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作電流，經(jīng)整流、濾波、 放大、A/D轉(zhuǎn)換及光電隔離后送入單片機(jī)， 用軟件對(duì)其非 線性進(jìn)行補(bǔ)償，以此電流信號(hào)作為計(jì)算晶閘管

14、導(dǎo)通角大小 的依據(jù)，并用于故障檢測(cè)及數(shù)碼管顯示。系統(tǒng)的軟件流程 圖如圖7所示。圖7軟啟動(dòng)器軟件流程圖4仿真結(jié)果與分析控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)手段對(duì)控制 系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究的十分重要的手段之一。MATLAB載5軟件應(yīng)該說是仿真軟件中的佼佼者，它以功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)受到廣大科研人員的青睞。本文采用 MATLAB語(yǔ)言編程對(duì)軟啟動(dòng)器中的FSA-PID算法進(jìn)行仿真研究。按編程順序，仿真程序主要由五個(gè)部分組成。1）仿真模型和仿真初值的給定部分2）語(yǔ)言變量及其隸屬函數(shù)定義部分3）規(guī)則列表矩陣定義部分4）仿真計(jì)算部分5）仿真圖形的輸出部分仿真結(jié)果如圖8所示。整個(gè)過程分為軟啟動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn) 行和軟停車三個(gè)階段。由圖可見，與常規(guī)PID控制相比,模糊軟啟動(dòng)過程響應(yīng)快、超調(diào)小，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，不會(huì)造 成大的電壓降落，保證了電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，可提高供電設(shè) 備的使用壽命。在接到停車指令后模糊控制均使輸出電流 按設(shè)定電流變化，一直到完全停車，晶閘管全部關(guān)斷，具 有更好的跟蹤性能。圖8軟啟動(dòng)全過程仿真結(jié)果5結(jié)論本文嘗試將模糊自整定PID控制策略應(yīng)用到電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)中，使控制器智能化，使系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)， 從而解決電動(dòng)機(jī)起、停過程中電流、轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)本身的機(jī) 械沖擊及對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響等問題載。仿真結(jié)果表明了該 策略的正確性，進(jìn)一步拓寬了模糊控制的應(yīng)用領(lǐng)